桥梁大体积混凝土裂缝产生机理及抗裂措施

2011-04-19方灿鑫李剑飞刘佟生

山西建筑 2011年1期

方灿鑫李剑飞刘佟生

0 引言

随着我国交通运输的发展，桥梁建设力度不断加大，大体积混凝土在桥梁结构中的运用也日益增多。但是，随之而来的问题也越来越多，尤其是大体积混凝土的裂缝问题。裂缝超过一定的宽度，不仅降低了结构的使用性能，而且在外界各种因素的作用下裂缝会不断扩大，从而减少了混凝土保护层厚度，引起混凝土面层剥落，加速钢筋锈蚀，影响桥梁结构的耐久性以及安全性。引起混凝土开裂的因素很多，比如有温度变化、收缩变形、施工荷载作用、基础沉降、钢筋锈蚀、冻胀等。其中温差引起的温度裂缝较难控制，危害极大，必须严加控制。

1 施工裂缝产生的主要原因

1.1 温度应力

1.1.1 升温阶段温度应力

混凝土是由水泥、砂石、掺合物及外加剂组成的一种脆性材料，抗拉强度不到抗压强度的 1/9。大体积混凝土在施工过程中，由于水泥的水化作用，3 d～5 d会产生大量的水化热，混凝土又是热的不良导体，积聚在内部的水化热不易散发，致使混凝土内部温度急剧升高，最高可达 70多度，而表面混凝土与外界接触，散热快，温度较低，极易形成较大内外温差，导致内外热胀冷缩程度不同，从而在混凝土内产生温度应力，内部为压应力，表面为拉应力。当某一时段混凝土表面拉应力超过混凝土抗拉强度时，就会在混凝土表面产生间距大致相等的直线热裂缝。这种裂缝宽度一般都在裂缝允许限值内，但会影响结构使用的耐久性，而且这种裂缝会随着内外温差的增大而变宽，所以必须对此加以控制。

1.1.2 降温阶段温度应力

随着水化反应的充分进行，产生的水化热逐渐减少，混凝土散热大于新增水化热，内部混凝土温度降低，开始收缩，由于受到外界约束的限制，在混凝土内部产生拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉强度时，将形成混凝土内部裂缝。

1.2 收缩应力

1.2.1 干缩引起的应力

为了满足混凝土施工和易性的要求，所加水量通常是水化所需水量的 5倍，大部分水分都要蒸发，这势必会引起混凝土体积的收缩。而混凝土内外水分蒸发速率差别较大，表面水分蒸发较快，收缩变形较大，内部湿度变化相对较慢，变形较小，表面的干缩变形受到内部混凝土的约束，再加上外界的约束，混凝土从内而外产生较大的拉应力，从而在表面产生干缩裂缝。这种裂缝一般比温升阶段产生的温度裂缝要宽，通常在 0.05mm～0.2mm之间，多见于大体积混凝土平面部位。

1.2.2 塑性收缩引起的应力

混凝土凝结硬化之前，会产生泌水现象。混凝土在静止过程中，密度较大的固体颗粒会往下沉，而密度较小、流动性大的水则上浮，到达混凝土表面的称作外泌水，由于混凝土尚有流动性，这部分水的蒸发不会在混凝土内部留下孔隙，危害甚小。而留在混凝土内部的内泌水则会在粗骨料下面形成水囊，混凝土硬化成型后，这部分水继续蒸发，在混凝土内部留下孔隙及界面裂缝，从而产生收缩应力。

2 抗裂措施

解决大体积混凝土裂缝问题主要从以下几个方面入手:原材料选择、配合比设计、施工养护措施、约束控制。

2.1 原材料的选择

1)合理选用水泥。大体积混凝土水泥的选择要兼顾低水化热、高强、抗拉强度高以及收缩小等因素。一般不宜使用早强型水泥，也不适宜使用水化热高的硅酸盐水泥，而宜采用中热硅酸盐水泥和低热的矿渣水泥。但矿渣水泥为满足混凝土和易性要求，蓄水量大，以致混凝土收缩大，所以必须掺加外加剂。

2)合理选用骨料。尽可能选用大的骨料，粒径较大的粗骨料比表面积小，所需水泥量少，能降低水泥用量。合理设计骨料级配，在保证混凝土和易性及流动性的前提下，尽量减少水泥用量。

3)掺入粉煤灰。粉煤灰的放热量约为水泥的 5%～35%，且放热速度慢，用适量的粉煤灰替代水泥，能起到降低水化热和延长温升时间的作用，同时还可以减少砂子对混凝土的泌水作用，并改善细骨料的级配。

4)掺加减水剂。高效减水剂在保证混凝土的工作性及水泥用量不变的条件下，能减少用水量 15%，混凝土强度提高 20%左右。同时还能降低水化热释放速度，降低热峰，并推迟热峰的出现。

5)掺加膨胀剂。膨胀剂主要功能是补偿混凝土硬化过程中的干缩和冷缩。这种补偿混凝土膨胀时，能在内外约束条件下产生一定的内压应力，从而抵消掉部分冷缩及干缩产生的拉应力，大大降低结构出现开裂的可能性，起到补偿作用。

外加剂的选用还得注意相互之间的协同作用效果。

2.2 施工养护措施

2.2.1 施工方法

当结构片面尺寸不大时，可以选择全面分层的浇筑方法。全面浇筑是在第一层全面浇筑完成但还未初凝时，进行第二层混凝土浇筑。具体施工时宜从短边开始，沿长边推进，也可以分成两段，从中间到两边或从两边到中间同时浇筑。

当混凝土结构厚度不大但面积或长度较大时，宜采用分段分层法浇筑。分段分层法浇筑是先从底层开始浇筑，进行至一定距离后开始浇筑第二层，依次向前浇筑其他各层。

当结构物的长度超过 3倍厚度时，应采用斜面分层浇筑法。斜面浇筑的振捣工作是从浇筑层的下端开始，逐步上移。

2.2.2 施工工艺

在混凝土搅拌时，采取先拌和水、水泥和砂，再投放石子的二次投料法，这种搅拌工艺可以消除混凝土泌水现象，减少界面微裂缝，让硬化后的混凝土结构更加致密。混凝土浇灌后，再进行二次振捣，同样可以减少混凝土因泌水在粗骨料下部产生的孔隙和水分。

2.2.3 保温保湿措施

大体积混凝土表面水化热易耗散，水分易挥发，对其表面采取保温保湿措施，能有效地控制内外温差，减少水分挥发，从而达到防止表面裂缝、干缩裂缝的产生。

保温保湿的方法多种多样，可以在裸露的混凝土表面覆盖麻袋、土工布等保温材料，或是塑料薄膜这样既保温又保湿的材料，也可以利用回填土进行土模养护。有条件的还可以在结构物周围用帆布等搭建暖棚，通电，通蒸汽，进行保温保湿养护，或是建造蓄水池，利用水隔热保湿的性能达到保温保湿的效果。

保温养护开始的时间最好设在混凝土降温的起点，而保温层的去除应该逐层分步。

2.2.4 降温措施

减小内外温差，除了在表面采取保温措施外，还可以在混凝土内部采取降温措施。混凝土内部的温度取决于混凝土入模温度和由水泥水化热引起的温升。因此可以通过降低混凝土入模温度及降低水化热来降低内部温度。

在较热的地方可以给砂石搭建遮阳棚。出厂水泥温度一般较高，一般使用出厂一周以上的水泥。

埋设冷却水管。通过冷却水循环带走混凝土内部分热量。冷却水管侧面一般采取方形或梅花形布设，正面采取蛇形布设;各层冷却水管互相独立，通水时间一般从混凝土覆盖冷却水管开始，水管进出口要安装水量调节阀和温度量测仪，以便看管人员根据水温调节通水水量。冷却水温度越低，冷却效果越明显，但冷却水与周边混凝土温差太大，会使周边混凝土产生较大的拉应力，使得水管周边混凝土开裂。